Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Trabecelverket svar på trykk Elevation på Living menneskelige øyet

Published: June 20, 2015 doi: 10.3791/52611
Automatic Translation
1,2, 2, 1, 1,2, 1, 1,2,3, 1,4, 1,2,3
1Department of Ophthalmology, UPMC Eye Center, Eye and Ear Institute, Ophthalmology and Visual Science Research Center, University of Pittsburgh School of Medicine, 2Department of Bioengineering, Swanson School of Engineering, University of Pittsburgh, 3The McGowan Institute for Regenerative Medicine, University of Pittsburgh School of Medicine, 4Deptartment of Biostatistics, Graduate School of Public Health, University of Pittsburgh

Summary

Trabecelverket (TM) innvandring til Schlemm kanalplass kan være forårsaket av akutt press heving av ophthalmodynamometer, og observert av spektral domene optisk koherens tomografi. Målet med denne fremgangsmåte er å kvantifisere morfometrisk responsen av den levende utløpskanalen til akutt trykk høyde i levende vev in situ.

Abstract

De mekaniske egenskapene til trabecelverket (TM) er knyttet til strøm motstand og intraokulært trykk (IOP) regulering. Begrunnelsen for denne teknikken er den direkte observasjon av den mekaniske responsen til TM akutt IOP høyde. Før skanning, er IOP målt ved oppstart og under IOP høyde. Limbus skannes ved spektral-domene optisk koherens tomografi ved oppstart og under IOP høyde (ophthalmodynamometer (ODM) brukes ved 30 g kraft). Skanner blir behandlet for å forbedre synliggjøring av kammerutløpsveien ved hjelp av ImageJ. Vaskulære landemerker brukes til å identifisere tilsvarende steder i baseline og IOP høydeskanne volumer. Schlemm kanalen (SC) tverrsnittsareal (SC-CSA) og SC lengde fra fremre til bakre langs lengdeaksen er målt manuelt ved 10 steder i et 1 mm segment av SC. Det midlere indre til ytre vegg avstand (korte aksen lengde) er beregnet som arealet av SC dividert med denslang akse lengde. For å undersøke bidraget av tilstøtende vev til effekten IOP høyder, er målingene gjentas uten og med glatt muskelavslapning med drypping av tropikamid. TM migrasjon inn i SC motvirkes av TM stivhet, men er forbedret med støtte fra dens feste til tilstøtende glatt muskulatur i strålelegemet. Denne teknikken er den første til å måle den levende menneske TM reaksjon på trykk heving in situ under fysiologiske betingelser innenfor det menneskelige øyet.

Introduction

Glaukom er verdens nest største årsaken til irreversibel blindhet 1. Forhøyet intraokulært trykk (IOP) er en viktig kausal risikofaktor for tilstedeværelse og progresjon av glaukom 2-7.   IOP reguleres av balansen mellom formasjonen og utstrømningen av vandig humor 8. Lokaliseringen av størst utstrømning motstand er juxtacanicular vev og den indre vegg av Schlemms kanal (SC), at grenseflaten mellom SC og trabekelverket (TM) 9-11. Mens TM stivhet kan bidra til forebygging av SC kollaps i ansiktet av IOP høyde, Overby et al. 12 nylig demonstrert at genuttrykk i glaukom er endret, noe som resulterer i økt SC endothelial stivne, som hindrer dannelse av porer, som fører til IOP heving i glaukomatøse øyne 13. TM morfologi og stivhet korrelerer med drenasje 14,15, med vekt på than må måle sine biomekaniske egenskaper.

Atomic force mikroskopi målinger av TM viser forhøyet stivhet i øynene donert av glaukom pasienter (81 kPa) sammenlignet med øynene fra givere uten glaukom (4,0 kPa) 16, men disse målingene ble gjort i dissekert ex vivo vev. Bakre TM er forankret i siliærmuskel via fremre sener av de langsgående muskelceller som setter inn i den ytre lamellated og cribiform TM 17. Siliærmuskel (CM) aktivitet kan øke TM tautness, hermet forhøyet TM stivhet 17. Muligheten for å observere forandringer i motstand mot kollaps SC indusert ved forstyrrelser av glatt muskulatur har blitt vist i en dyremodell 18. Vi har vist evne til ikke-invasiv bildeprimærkammer utstrømming system i levende menneskelige øyne distal til og med SC bruker spektral domene optisk koherens tomografi (OCT) <sup> 19-21. Ved hjelp av denne teknikk, har vi vist evne til å kvantifisere morfometrisk responsen i TM og SC til akutt IOP høyde 22.

Det overordnede målet med metoden beskrevet her var å kvantifisere morfometrisk responsen fra den levende strøm kanalen til akutt IOP heving i levende vev in situ. Denne teknikken har den fordelen av å undersøke TM under fysiologiske betingelser, som omfatter bidrag fra både fiber kontraktil aktivitet i TM og TM CM til stivhet, sammenlignet med publiserte målinger gjort i dissekerte vev. Begrunnelsen for å bruke denne teknikken til observasjon av den mekaniske TM svaret er at det gir oss ellers utilgjengelig innsikt i den mekaniske oppførselen til TM, som vi nå vet å være knyttet direkte til strøm motstand og IOP regel 13. Å skjelne bidrag kontraktile vev til generell stivhet, en liten cohort individer ble undersøkt uten og med undertrykkelse av glatt muskelaktivitet ved administrering av tropikamid.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Etikk Uttalelse: Godkjenning ble innhentet fra Institutional Review Board ved University of Pittsburgh School of Medicine før lagt rekruttering begynte. Alle fag gitt skriftlig informert samtykke før deltakelse i studien.

1. Data Acquisition

  1. Trykk Elevation
    1. Ta grunnlinjemålinger (IOT og oktober målinger) ved å dryppe en dråpe av 0,5% proparacaine inn i øyet. Vent 3 min for effekt.
    2. Gjelder forsiktig press på time sclera med ophthalmodynamometer, 30 g i kohort 1 og 5 og deretter 10 g i kohort 2. Så de ønskede (IOP og OCT) målinger som følger
      1. IOP Målinger
        1. Mål baseline IOP. Heve trykket som beskrevet i kapittel 1.1.
        2. I kohort 1 innpode en dråpe 0,5% proparacaine, la 3 min for effekt, og bruke 30 g press på sclera. Mens trykket blir brukt, måle IOP bruker tonometer følgende manufacturer anvisninger.
        3. I kohort 2, innpode en dråpe på 0,5% proparacaine, la 3 min for effekt, og bruke 5 g scleral trykk ved hjelp av en ophthalmodynamometer. Mål IOP under press høyde ved hjelp tonometeret følgende produsentens instruksjoner.
          1. Vent 5 min etter 5 g måling.
          2. Påfør 10 g scleral trykket ved ophthalmodynamometer, og måle IOP under press høyde ved hjelp tonometeret følgende produsentens instruksjoner. Spill IOP og tilstand (dvs. baseline eller 10 g) i studien posten.
      2. Oktober Scanning
        1. Seat motivet i oktober skanneren. Legg inn pasient demografiske data for nye fag, eller hent demografiske data fra OCT database for tidligere skannede fag.
        2. Velg fremre segment 512 x 128 scan-protokollen. Sentrere øyet i videobildevinduet. Minske avstanden mellom skannerenog øye til hornhinnen tverrsnitts bildet vises i skannevinduet
        3. Ved hjelp av verbale kommandoer plassere time limbus til sentrum av skanningen vinduet ved å rette pasienten blikk i nese retning
        4. Tilegne seg grunnlinjen skanningen, og gjennomgå skanningen for kvalitet. IF akseptabelt, lagre, og hvis ikke akseptabelt, gjenta dette trinnet.
          1. Godta skanninger hvis det ikke blinker, og vinkelen er visualisert gjennom hele volumet uten drivende av av kanten av bildet eller vende på toppen.
        5. Innpode en dråpe 0,5% proparacaine, la 3 min for effekt, og gjenta trinn 1.3.2 via 1.3.5.
        6. For kohort 1, gjelder 30 g scleral trykket ved ophthalmodynamometer, og tilegne skanningen mens trykket blir brukt. Fjern trykket og gjennomgå skanningen for kvalitet. IF akseptabelt, lagre, og hvis ikke akseptabelt, gjenta dette trinnet.
        7. For kohort 2, gjelder 5 g scleral trykket ved ophthalmodynamometer, og tilegne skanningen mens trykket blir brukt. Fjern trykket og gjennomgå skanningen for kvalitet. IF akseptabelt, lagre, og hvis ikke akseptabelt, gjenta dette trinnet.
        8. Vent fem minutter slik at øyet å gjenopprette fra 5 g press forstyrrelse.
        9. For kohort 2, gjelder 10 g scleral trykket ved ophthalmodynamometer, og tilegne skanningen mens trykket blir brukt. Fjern trykket og gjennomgå skanningen for kvalitet. IF akseptabelt, lagre, og hvis ikke akseptabelt, gjenta dette trinnet.
        10. Spill skannetiden, tilstand (dvs. baseline eller 10 g) og plassering i studien posten.

2. Data Processing

  1. Plugg en høykapasitets USB-lagringsenhet inn i oktober Velg "Export" fra Records menyen til oktober Utpeke en filplassering for eksporterte filer på USB-stasjonen. De-velg ".zip" alternativet. Skriv inn pasientens navn for scans som skal eksporteres, og velg skanner som skal eksporteres. Initiere eksport.
  2. Når eksporten er fullført, avmontere USB-stasjonen og fjerne fra oktober Plugg høykapasitets USB-enhet som inneholder de eksporterte bildene inn i bildebehandling arbeidsstasjon.
  3. Start bildebehandlingsprogram i dette tilfellet ImageJ.
  4. Importere rå bildedata; Velg "File -> Import -> Raw" fra filmenyen. Velg filen med slutter på "_cube_raw.img" som skal behandles fra USB-stasjonen.
  5. Lagre den importerte filen ved hjelp av et nytt navn, slik at den opprinnelige bildedataene lagres uendret (http://www.ori.dhhs.gov/education/products/RIandImages).
  6. Angi import parametere som følger, Bildetype: 8 bit, Bredde: 512, Høyde: 1024, Offset: 0; Antall bilder: 128.
  7. Velg "Plugins -> R egistration -> StackReg" fra plugins menyen. Og velg deretter "Rigid Body"Alternativet. Deretter velger du "Fil -> Lagre som -> TIFF" for å lagre justert stabelen.
  8. Velg "Process -> Filter -> Mean 3D" fra prosessen menyen. Parametere som er X = 1, Y = 1, og Z = 1 som filteret. Gjenta dette trinnet to ganger.
  9. Velg "File -> Save As -> TIFF" for å lagre den i gjennomsnitt stack. Spinne musehjulet til å flytte til ramme en av den aktive stabelen.
  10. Velg "Process -> Forbedre Local Contrast (CLAHE)" fra Processing menyen. Bruk parametere blokkstørrelse: 31, histogram binger: 256, Maksimalt Slope: 5, Mask: ingen, og sjekke "fast" alternativet. Bruk høyre piltast for å gå videre til neste bilde.
  11. Flytt til ramme 2 av den aktive stabelen og gjenta prosess-> Forbedre Local Contrast (CLAHE). Gjenta til alle rammer har hatt kontrast forbedret.
  12. Velg "File -> Save As -> TIFF"; for å lagre kontrastforsterket stabelen. Deretter velger du "Image -> Adjust -> Size" fra bildemenyen. Fjern markeringen i «Begrens Aspect Ratio" alternativet, deretter inn Bredde: 2048 og høyde: 1024 verdier.
  13. Velg "Image -> Transform -> Vend vertikalt" fra bildemenyen. Deretter velger du "Analyze -> Set Scale" fra Analyze menyen. Tast Avstand i piksler: 2048, kjent distanse: 4000, og Pixel Aspect Ratio: 1, og klikk OK. Velg "File -> Save As -> TIFF" for å lagre den kalibrerte 1: 1 størrelsesforhold stabelen.
  14. Sakte spinne musehjulet for å visuelt undersøke skanner for å identifisere en særegen fartøy krysset for å tjene som et referansepunkt innen skanninger. Spill inn bildenummer og referanseramme nummer i analysen regneark.
  15. Trykk på venstre piltast 15 ganger for å gå til den første målingen rammen. Velg "Freehand SelectionsR21; verktøyet fra verktøylinjen.
  16. Plasser musen i sentrum av SC og trykk pil opp. Gjenta dette trinnet til SC fyller skjermen.
  17. Manuelt segment SC ved sirkle grensen med musen. Hold kontroll (Ctrl) tasten og trykk D for gjeldende bilderammen. Hold Ctrl-tasten og trykk M. Transkriber måling av SC tverrsnittsareal og måling rammenummeret til analyse regneark. De-velge den skisserte området. Trykk høyre piltast 3 ganger. Gjenta dette trinnet til SC har blitt målt i 10 rammer.
  18. Trykk på venstre piltast 30 ganger for å gå tilbake til den første målingen rammen.
  19. Velg rett segment verktøyet fra verktøylinjen.
  20. Tegn en rett linje fra fremre-mest til posterior-de fleste steder på SC. Hold Ctrl-tasten og trykk på D for gjeldende ramme bare. Hold Ctrl-tasten og trykk M. Transkriber SC lengde og rammenummeret til analyse regneark. De-velge den skisserte området. Trykk høyre piltast3 ganger. Gjenta dette trinnet til SC lengde er målt i de samme 10 bilder som SC tverrsnittsareal.
  21. Sett ligningen SC-IOWD = SC-CSA / aksial lengde inn i analysen regneark til å beregne gjennomsnittlig SC indre vegg til ytre vegg avstand (SC-IOWD) ved å dividere målingene området ved målinger lengden.
  22. Trykk på venstre piltast 30 ganger for å gå tilbake til den første målingen rammen.
  23. Velg rett segment verktøyet fra verktøylinjen.
  24. Tegn en rett linje fra anterior-mest på SC grensen til trabecelverket og fremre kammer. Forsikre deg om at linjen er vinkelrett på grensen. Hold Ctrl og trykk på D, deretter M.
  25. Tegn en linje fra posterior-mest plasseringen av SC og grensen av TM og fremre kammer. Sørg for at linjen vinkelrett på grensen. Hold kontroll og trykker D, deretter M.
  26. Tegn en linje fra midten av SC og grensen av TM og fremre kammer. Kontroller at line vinkelrett på grensen. Hold Ctrl-tasten og trykk på D for gjeldende ramme bare.
  27. Transkribere de tre TM tykkelsesmålinger og rammenummeret til analysen regneark. For å gjøre dette trykker du på høyre piltast 3 ganger. Gjenta dette trinnet til TM tykkelse er målt i de samme 10 bilder som SC tverrsnittsareal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ved hjelp av disse datainnsamling og bildeanalyseteknikker, er effekten av små og store endringer i intraokulært trykk på utløpskanalen morfologiske parametere så som SC tverrsnittsareal oppnås (figur 1). Vi kan se at høye nivåer av IOP økning produsere en observerbar kollaps av SC, som representert ved en stor reduksjon i tverrsnittsarealet. Øyet ser ut til å være i stand til å imøtekomme små økninger i IOP, som dokumentert av mangel på endring i SC-CSA (figur 1). Disse resultater viser at den teknikk som er i stand til å kvantifisere morfometrisk responsen av utløpskanalen til en akutt IOP utfordring. Ingen annen familie av teknologier eller teknikker gir både visuell og kvantitativ informasjon om utløpsveis biomekanikk.

Gjennom studien, ble ingen signifikant endring i TM tykkelse observert. Som svar på en 23 mmHg IOP økning, ble SC indre til ytre vegg avstanden reduseres ved 5.03 mikrometer. Without og med undertrykkelse av glatt muskelaktivitet, en 6 mmHg økning i IOP forårsaket SC indre til ytre veggen avstanden reduseres med 0,18 mikrometer og 2,34 mikrometer hhv. I tillegg baseline SC-CSA falt fra 4597 ± 2503 mikrometer 2 til 3588 ± 1198 mikrometer 2 (gjennomsnitt ± standardavvik) med glatt muskelaktivitet undertrykkelse. Sammen med innsetting av fremre sener fra siliærmuskel som setter inn i den ytre lamellated og cribiform TM 17, innebærer dette et kontrollsystem for å opprettholde SC patency involverer glatt muskulatur. Videre studier er fortjent.

Figur 1
Figur 1. Schlemms kanalområdet versus intraokulært trykk i levende øyne. Schlemms kanal (SC) tverrsnittsområder fra de to årskull av fagene er gitt. Feilfelt stede en standard feil i jegntraocular trykk (IOP) på X-aksen, og SC område på Y-aksen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den foreliggende teknikk benytter ikke-invasiv observasjon av den mekaniske responsen av mykt vev for å kvantifisere SC kollaps. Future arbeid med menneskekadaver øyne er nødvendig å kalibrere vev nedbøyninger selve vevet stivhet etter disseksjon. Men vil slike studier har de samme begrensningene av tidligere utstrømning modeller; spesielt, at bidragene fra levende muskel til vev spenning vil ikke være til stede. Ytterligere kalibrering i et levende pattedyr øye modell kan tillate kalibrering av bildebehandling og direkte målinger av stivhet i TM.

Det er flere begrensninger i teknikken. Det har ennå ikke vist på andre oktober plattformer. Litteraturen antyder at de samme strukturene kan bli visualisert på andre oktober enheter, men følsomhet for endringer knyttet til akutt IOP høyde på disse enhetene har ennå ikke påvist i menneskelige øyne. Den foreliggende anordning ble benyttet ut fra bekvemmelighet, da ingen ytterligere optikknødvendig for anterior segment skanning. Den største utfordringen i dette arbeidet er å identifisere SC innenfor skanninger. Det er absolutt umulig å identifisere SC i et enkelt stykke. Utspørring av volumet som kreves for å lokalisere det første område av vev inneholdende SC. Sin identitet blir deretter bekreftet ved observasjon av utkasteråpningen ostia, og sammenkobling av de ulike segmentene av SC som vises skive til skive. I vår erfaring, vil SC presentere som mellom 0-4 åpninger i limbus som kan flette inn i enkelt store åpninger i nærheten av en utkasteråpningen ostium, eller kollapse til en klem delen av fullstendig nedleggelse.

Den største betydningen av dette gjennombruddet teknikken er at det er ingen andre alternativ for vurdering av TM stivhet in situ. Morfologi og stivhet av TM korrelerer med drenasje 14,15, understreker behovet for å måle biomekaniske egenskapene til strøm sti. I fremtiden,slike målinger kan gi innsikt foreløpig ikke tilgjengelig i forvaltningen av glaukom.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Dr. Schuman mottatt royalties for immaterielle rettigheter ved Massachusetts Institute of Technology og Massachusetts øye og øre Infirmary til Zeiss, Inc.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Spectral Domain OCT Zeiss Cirrus
Imaging Workstation Apple iMac
Ophthalmodynamometer Baillairt Matalene Ophthalmodynamometer, Surgical instruments CO., Inc. New York, NY
Image Processing Program rsb.info.nih.gov/ij ImageJ, FIJI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Quigley, H. A., Broman, A. T. The number of people with glaucoma worldwide 2010 and 2020. The British journal of ophthalmolog. 90, 262-267 (2006).
  2. Sommer, A., et al. Relationship between intraocular pressure and primary open angle glaucoma among white and black Americans. The Baltimore Eye Survey. Archives of ophthalmolog. 109, 1090-1095 (1991).
  3. Sommer, A., et al. Racial differences in the cause-specific prevalence of blindness in east Baltimore. The New England journal of medicin. 325, 1412-1417 (1991).
  4. Leske, M. C., Connell, A. M., Wu, S. Y., Hyman, L., Schachat, A. P. Distribution of intraocular pressure. The Barbados Eye Study. Archives of ophthalmolog. 115, 1051-1057 (1997).
  5. Leske, M. C., Wu, S. Y., Hennis, A., Honkanen, R., Nemesure, B. Risk factors for incident open-angle glaucoma: the Barbados Eye Studies. Ophthalmolog. 115, 85-93 (2008).
  6. Mitchell, P., Lee, A. J., Rochtchina, E., Wang, J. J. Open-angle glaucoma and systemic hypertension: the blue mountains eye study. Journal of glaucom. 13, 319-326 (2004).
  7. Mitchell, P., Smith, W., Attebo, K., Healey, P. R. Prevalence of open-angle glaucoma in Australia. The Blue Mountains Eye Study. Ophthalmolog. 103, 1661-1669 (1996).
  8. Gabelt, B., Kaufman, P. Adler's Physiology of the Ey. Kaufman, P. L. , Mosby. 237-289 (2003).
  9. Grant, W. M. Experimental aqueous perfusion in enucleated human eyes). Archives of ophthalmolog. 69, 783-801 (1963).
  10. Jocson, V. L., Sears, M. L. Experimental aqueous perfusion in enucleated human eyes. Results after obstruction of Schlemm's canal. Archives of ophthalmolog. 86, 65-71 (1971).
  11. Maepea, O., Bill, A. Pressures in the juxtacanalicular tissue and Schlemm's canal in monkeys. Experimental eye researc. 54, 879-883 (1992).
  12. Johnstone, M. A., Grant, W. G. Pressure-dependent changes in structures of the aqueous outflow system of human and monkey eyes. American journal of ophthalmolog. 75, 365-383 (1973).
  13. Overby, D. R., et al. Altered mechanobiology of Schlemm's canal endothelial cells in glaucoma. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of Americ. , (2014).
  14. Allingham, R. R., de Kater, A. W., Ethier, C. R. Schlemm's canal and primary open angle glaucoma: correlation between Schlemm's canal dimensions and outflow facility. Experimental eye researc. 62, 101-109 (1996).
  15. Camras, L. J., Stamer, W. D., Epstein, D., Gonzalez, P., Yuan, F. Differential effects of trabecular meshwork stiffness on outflow facility in normal human and porcine eyes. Investigative ophthalmolog., & visual scienc. 53, 5242-5250 (2012).
  16. Last, J. A., et al. Elastic modulus determination of normal and glaucomatous human trabecular meshwork. Investigative ophthalmolog., & visual. 52, 2147-2152 (2011).
  17. Lutjen-Drecoll, E. Functional morphology of the trabecular meshwork in primate eyes. Progress in retinal and eye researc. 18, 91-119 (1999).
  18. Li, G., et al. Pilocarpine-induced dilation of Schlemm's canal and prevention of lumen collapse at elevated intraocular pressures in living mice visualized by OCT. Investigative ophthalmolog., & visual scienc. 55, 3737-3746 (2014).
  19. Francis, A. W., et al. Morphometric analysis of aqueous humor outflow structures with spectral-domain optical coherence tomography. Investigative ophthalmolog., & visual. 53, 5198-5207 (2012).
  20. Kagemann, L., et al. 3D visualization of aqueous humor outflow structures in-situ in humans. Experimental eye researc. 93, 308-315 (2011).
  21. Kagemann, L., et al. Identification and assessment of Schlemm's canal by spectral-domain optical coherence tomography. Investigative ophthalmolog., & visual. 51, 4054-4059 (2010).
  22. Kagemann, L., et al. IOP Elevation Reduces Schlemm's Canal Cross-sectional Area. Investigative ophthalmolog & visual scienc. , (2014).

Tags

Medisin Optical Coherence Tomography trabecelverket Biomechanics intraokulært trykk forordning Vandig humor Utstrømming
Trabecelverket svar på trykk Elevation på Living menneskelige øyet
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kagemann, L., Wang, B., Wollstein,… More

Kagemann, L., Wang, B., Wollstein, G., Ishikawa, H., Mentley, B., Sigal, I., Bilonick, R. A., Schuman, J. S. Trabecular Meshwork Response to Pressure Elevation in the Living Human Eye. J. Vis. Exp. (100), e52611, doi:10.3791/52611 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter